Teoria względności a kwanty - FILOZOFIA KWANTOWA-QUANTUM PHILOSOPHY

Idź do spisu treści

Menu główne:

Teoria względności a kwanty

Teoria kwantów



PODSTAWOWE PROBLEMY UNIFIKACJI TEORII WZGLĘDNOŚCI Z MECHANIKĄ  KWANTOWĄ



Obecnie uważa się, że teoria kwantów jest zgodna ze szczególną teorią względności, przy umiarkowanych energiach przyjmuje postać relatywistycznej kwantowej teorii pola. Konkretnymi przykładami takich teorii są: elektrodynamika kwantowa, chromodynamika kwantowa, model standardowy cząstek elementarnych czy teorie GUT(Wielkiej Unifikacji). Teoria kwantów zgodna z wymogami nie tylko szczególnej teorii względności, lecz również ogólnej teorii względności (relatywistycznej teorii grawitacji) być może przyjmie postać supersymetrycznej teorii w przestrzeni jedenastowymiarowej o nieprzemiennej geometrii (tzw. teorii M) lub jakiejś wersji teorii superstrun w przestrzeni dziesięciowymiarowej, czy może teorii n-bran w przestrzeni, np. pięciowymiarowej. Tego nie wiemy. Szczególnymi teoriami kwantowymi uwzględniającymi wymogi ogólnej teorii względności są podejścia stosowane w kosmologii kwantowej. Polegają one na traktowaniu relatywistycznych modeli wszechświata jako zamkniętych układów kwantowych lub stanów wzbudzonych pewnego kwantowego "superpola".
Niestety teoria strun, zwana w innej nieco postaci teoria M-pola, jest w kryzysie i nie odpowiada na większość istotnych pytań dotyczących zgodności teori kwantów z teorią względności Einsteina. Przez ponad cztery dekady panowała niepodzielnie w fizyce i ostatecznie zbankrutowała.
1/ pierwsza upadła wersja z 26. wymiarami czasoprzestrzennymi, bez fermionów czy supersymetrii, zwana struną bozonową. Teoria ta ma tachiony, dlatego jest dla mnie szczególnie atrakcyjna, ale prowadzi to do pojawiania sie nieskończoności, a w rezultacie do braku spójności.
2/ kolejna wersja z ujemną stałą kosmologiczną oparta na hipotezie Maldaceny  nie została do tej pory sformułowana i przebadana. I dobrze, gdyż stała kosmologiczna nie jest ujemna.
3/najdłużej trwa teoria przedstawiająca struny poruszające się na prostych tłach, takich jak 10. wymiarowa przestrzeń, gdzie geometria tła nie zmienia się w czasie, a stała kosmologiczna jest równa zeru. I ta teoria nie jest spójna, choć daje spójne wyniki do drugiego rzędu przybliżeń.
M-teoria miała zunifikować wszystkie wymienione teorie, ale cokolwiek się z nimi zrobi dochodzimy do wniosku, że są one niezgodne z naturą. Są też fundamentalnie niezgodne z teorią względności, która zakłada że geometria czasu i przestrzeni jest dynamiczna. A teoria strun jest zależna od  tła, nie posiada też supersymetrii. Nie daje nam odpowiedzi na żaden z fundamentalnych problemów mechaniki kwantowej. Dlaczego zatem przez tyle lat zajmowało się tą teorią tysiące badaczy? Odpowiedź jest prosta-teoria strun z pięciu kluczowych zagadnień fizyki potencjalnie rozwiązuje jeden z nich-unifikację cząstek i sił. I nic nam nie mówi w kwestiach kosmologii.
Einstein twierdzi, że geometria przestrzeni jest zmienna i rozwija sie dynamicznie zmieniając sie w czasie tak, jak poruszająca się materia. Tą przestrzeń przemierzają niewidzialne i trudne do uchwycenia fale grwitacyjne. Mówimy, że peawa fizyki sa niezależne od tła, co oznacza, że geometria przestrzeni nie jest ustalona, lecz rozwija się w czasie. Zatem przestrzeń i czas są ze sobą ściśle powiązane, a bywa że zastępują sie wzajemnie np. we wnętrzu czarnych dziur. Z kolei grawitację należy rozumieć jako apekt dynamicznej geometrii czasoprzestrzennej. Jeśli łączymy teorię kwantów z grawitacją w sposób zależny od tła, to mamy do czynienia z teorią strun. A jeśli w sposób niezależny od tła to mamy do czynienia z pętlową grawitacją kwantową. I w tej teorii cała nadzieja na powiązanie teorii względności z teorią kwantów. Idea zakiełkowała już w roku 1936 w pracach radzieckiego fizyka Bronsteina i Francuza Solomona. Niestety totalitaryzm zniszczył te cudowne, młode umysły-Bronsteina zamordowało NKWD w r. 1938, a Solomona hitlerowcy w roku 1942 za udział w ruchu oporu. Ich prace popadły w zapomnienie, teoria kwantowej grawitacji wiele na tym straciła.



Na zdjęciu: uczony francuski w katowni gestapo na dwa miesiące przed egzekucją.
Postęp w badaniach kwantowej grawitacji przyniosły dopiero odkrycia entropii czarnych dziur oraz ustalenie, że temperatura tych osobliwości jest odwrotnie proporcjonalna do ich masy. Tu właśnie tkwi klucz do kwantowej grawitacji. Jeśli zrozumiemy, że czarna dziura jest w całości tworem kwantowym ( a więc odrzucimy klasyczne, stałe tło) to entropia tego układu, jego odwrócona temperatura i promieniowanie odpowiedzą nam na wszystkie pytania w tym także na problemat GUT, czyli Wielkiej Unifikacji.




KWANTOWANIE POLA GRAWITACYJNEGO

Każda współczesna dyskusja o grawitacji kwantowej musi zawierać wartości Plancka, które w istocie swojej są kombinacją trzech fundamentalnych stałych: c (prędkość światła), G (stała grawitacyjna) i h (stała Plancka). Obecnie wartości Plancka są powiązane z ogólną teorią względności wskazując na jej kwantowe granice. Sam Planck jednak w roku 1899 nie brał pod uwagę żadnych związków swoich wzorów z grawitacją kwantową. Może to być trudno zrozumiałe, ale nikt, nawet Einstein nie traktował w ten sposób fundamentalnego znaczenia relacji odkrytych przez Plancka. Dopiero w roku 1935 zauważył to genialny radziecki uczony Matwiej Bronstein (1906-1938), zamordowany na rozkaz Stalina.
Bronstein skonstruował sześcian, w którego węzłach umieścił najważniejsze teorie fizyczne. W jednym z wierzchołków sześcianu zlokalizował poszukiwaną kwantową teorię
grawitacji. Sześcian teorii fizycznych przypisywany jest także innym uczonym, ale zasada jest taka sama. Na trzech osiach mamy tu podstawowe wartości, o których mówimy- G, 1/c oraz h, a na wierzchołkach odpowiadające im teorie. Na jednym z wierzchołków widzimy "teorię wszystkiego" i od razu staje sie jasne, że to kwantowa grawitacja rozwiąże w przyszłości wszystkie kwestie kosmologiczne. Jak na dzisiaj mamy dobrą, ale jeszcze nie dopracowaną teorię pętlowej grawitacji kwantowej. Unifikacja ogólnej teorii względności z teorią kwantów powinna dać w rezultacie "teorię wszystkiego", która wyjaśni problemy ciemnej masy i energii. Moje hipotetyczne rozważania już taką teorię stworzyły, ale musi mieć ona swoją podbudowę matematyczną i potwierdzenie np. w mikrofalowym promieniowaniu tła, czy w badaniach na coraz większych cyklotronach.
 Bliższe poznanie fizyki czarnych dziur również pozwoli nam na rozwiązanie większości problemów kosmologicznych.
Bronstein, mimo młodego wieku, pracował intensywnie nad skwantowaniem pola grawitacyjnego. W roku 1935 opublikował dysertacje "The Quantization of Gravitational Waves," poświeconą omówienia słabych pól grawitacyjnych. Praca ta zawierała także ważne odróżnienie pomiędzy elektrodynamiką kwantową, a kwantową teorią grawitacji. W konkluzji uczony udowodnił, że istniejąca teoria pola kwantowego oparta na geometrii Riemanna, nie jest wystarczająca dla sformułowania spójnej teorii kwantowej grawitacji.
Bronstein miał doprawdy pecha, że żył w piekle stalinowskiego terroru, a w dodatku nosił te same nazwisko co wróg nr 1 dyktatora Trocki. Był to człowiek o niezwykle szerokich zainteresowaniach. Zajmował się astrofizyką, półprzewodnikami, kosmologią i fizyką nuklearną. Wniósł istotny wkład w teorię grawitacji kwantowej już 80 lat temu.



Na koniec konkluzja. W ogólnej teorii względności geometria przestrzeni jest dynamiczna. Ewoluuje w czasie w odpowiedzi na ruch materii albo propagację fal grawitacyjnych. Natomiast geometria w skali Plancka jest skwantowana i wszelkie zmiany dokonujące się w geometrii przestrzeni muszą wynikać ze zmian w świecie Plancka. Do tego bardzo ważnego wniosku doszedł Lee Smolin i potwierdza on w ten sposób moją hipotezę. My wszyscy, cała rzeczywistość, wywodzimy się z tej swoistej matrycy, która choć niezwykle mała, jest wszędzie i wpływa na wszystko. (zob. "Czas odrodzony", Lee Smolin, Prószyński, str. 249).



 
 
Wróć do spisu treści | Wróć do menu głównego